煤壁

煤壁破壞是影響採煤工作面高效推進的主要因素之一。相對而言，軟煤層工作面煤壁破壞更加頻繁和嚴重，但是隨著大采高開採工藝的推廣應用，一些硬煤工作面的煤壁破壞也頻繁出現，這會嚴重製約大采高工作面潛能發揮，影響高產高效。近年來對煤壁破壞機理和防治技術有許多研究，文獻提出了煤壁破壞的拉裂、剪切破壞2種形式，給出了軟煤層煤壁發生剪切破壞的條件，提出減緩煤壁壓力、改變煤體性質等進行煤壁破壞防治；文獻結合實際工程等對影響煤壁穩定性因素及控制技術進行了深入研究，如調節工作面推進速度、采高及注漿等幾種煤壁穩定性控制措施，以及提出了支架阻力確定的二元準則；尹希文等通過實測及數值模擬得到煤壁表面變形特徵及常見破壞形式，將煤壁前方煤體視為條柱壓桿，利用結構穩定性原理得到煤壁條柱失穩條件；袁永等將片落煤體視為楔形體，分析了煤壁發生壓剪破壞的條件及煤壁穩定性影響因素；方新秋等將剪切破壞面視為圓弧滑面分析了煤壁壓剪破壞條件，依據煤壁穩定性影響因素提出控制三原則，並對木錨桿支護布置進行的設計研究; 寧宇等分析了端面距對煤壁穩定性的影響及煤壁破壞同頂板冒落之間的相互作用

關係。以上研究成果多集中於煤壁發生剪切破壞的情況，雖然提出了煤壁存在拉裂破壞的思想，但沒有對其發生條件及影響因素進行深入分析。大量工程實踐表明硬煤層在高強度開採條件下，開挖卸荷后，堅硬煤壁同樣不能保持自身穩定性，容易發生拉剪、拉裂型破壞。同軟煤工作面相比，該類煤壁破壞存在片幫煤體塊度大、突發性強、伴隨較大聲響等特徵，甚至出現煤塊拋擲(動力破壞)現象，危害程度高、控制難度大。

煤體的硬度係數可由其單軸強度除10得到，煤體硬度係數>3時便不再建議採用放頂煤開採方法，但工程實踐表明煤體硬度係數接近3時頂煤很難破碎，因此，此處採取更為保守的原則，認為煤體硬度係數2則為硬煤。單軸試驗中軟煤應力－應變曲線可由峰前階段圓滑過渡至峰后階段，沒有在峰值點發生突跳現象，為典型的I 類曲線，煤樣不會發生崩潰式破壞，宏觀破壞面為壓剪型斜切主裂紋，翼裂紋發育程度高; 硬煤破壞時應力發生突然跌落，且存在彈性變形回彈現象，局部表現為II類破壞曲線，達到峰值時煤樣破壞不需外力做功，貯存於試件中的能量一部分轉化為破壞煤塊的初始動能，導致硬煤破壞面法向張開度較大，宏觀破壞面表現出劈裂破壞特徵。

軟煤、硬煤應力－應變曲線在峰值階段出現明顯差異原因為變形參數不同導致單向載入過程中煤樣試件中應力狀態出現明顯差異。

(1) 單軸抗壓條件下，軟煤表現為靜力破壞、硬煤趨於動力破壞，小泊松比導致的橫向拉應力是軟煤、硬煤出現不同破壞形式的內在原因，圍壓可以有效控制煤體破壞的脆－延轉化，使硬煤由動力破壞轉變為靜力破壞。

(2) 根據頂板同煤層的不同接觸形態將頂板、煤壁及支架形成的平衡系統模型簡化為2種邊界條件，由煤體物理參數、應力狀態及邊界條件的不同提出壓剪、拉剪及拉裂3種煤壁破壞形式，硬煤破壞屬於后兩者。

(3) 建立煤壁拉剪型、拉裂型破壞的力學分析模型，分別得到決定兩種煤壁破壞事故能否發生的煤壁極限承載能力，進而得到煤壁拉剪型破壞的起裂角度及拉裂型片幫深度表達式及影響因素，為煤壁破壞防治工藝優化提供理論基礎。

(4) 對2種煤壁破壞形式影響因素進行敏感度分析：各因素對煤壁拉剪型破壞的影響程度依次為黏聚力、頂板壓力、支架阻力、抗拉強度，采高、護幫板載荷、護幫高度對煤壁承載能力的影響不明顯; 對煤壁拉裂型破壞的影響程度依次為抗拉強度、采高、頂板壓力、支架阻力、控頂距、護幫板載荷。

堅硬煤壁破壞的防治最佳措施是提高工作面煤體的抗拉強度。傳統煤壁加固技術，存在延伸量較小、支護強度低、支護效果差、成本高、抗剪能力差、漿液流動不可控、影響煤質等問題，因此，採用煤壁柔性加固技術提高煤壁穩定性。煤壁柔性加固機理是通過漿液使具有一定剛度和伸長率的棕繩很好的附著在煤體內，形成全長錨固，實現對煤體加固。

為治理煤壁破壞和冒頂事故，提高圍岩穩定性，對堅硬煤壁橫向層理髮育、受構造斷層影響地段進行“棕繩+注漿”柔性加固技術。採用地質鑽機打孔，嚴格控制鑽孔角度和深度，柔性加固材料棕繩和注漿管捆綁后伸入鑽孔，並把棕繩一端固定在鑽孔孔底，給棕繩的另一端施加拉力，使其釋放掉一定的初始變形，提高對煤壁變形的抑制能力。採用ZBQ-5/12型注漿泵進行注漿，注漿壓力達3～8MPa;為保證漿液充分擴散並且防止漏漿，注漿孔外用紗布等將孔口堵嚴。

實踐證明“棕繩+注漿”加固對煤壁拉伸破壞起到有效抑制作用，注漿后沿傾斜方向煤壁破壞長度減少至工作面總長度的8%，約減少了原破壞範圍的75%，且沒有發生大範圍的煤壁破壞現象，破壞深度和破壞煤體塊度均明顯減小，煤壁穩定性得到提高，保證了大采高工作面的安全快速推進，提高了開機率。